麻省理工学院的一个新电极设计提高了将二氧化碳转化为乙烯及其他类似产品的电化学过程的有效性。
面对日益增加的温室气体排放，科学家们正在探索有效且具有成本效益的方法来捕获二氧化碳，并将其转化为有价值的产品，如运输燃料、化学品的原材料，甚至建筑材料。然而，实现在这些工作中的经济可行性一直面临挑战。
麻省理工学院的工程师最近进行的研究可能会加速各种电化学系统的进展，这些系统旨在将二氧化碳转化为有用商品。研究团队介绍了一种新电极设计，显著提高了这一转化过程的效率。
研究结果将发表在《自然通讯》期刊上，作者包括麻省理工学院博士生西蒙·鲁费尔、机械工程教授克里帕·瓦拉纳西以及三名同事。
瓦拉纳西表示：“解决二氧化碳问题是我们这个时代的主要挑战之一，我们正在探索许多解决方案。”开发可行的方法提取二氧化碳至关重要，这可以通过发电厂的排放或直接从大气或海洋中捕获。一旦捕获了二氧化碳，还需要一种实用的方法来利用它。
瓦拉纳西指出，已经创造了各种系统将这些捕获的二氧化碳转化为有价值的化学产品。“并不是说我们缺乏能力——我们能够实现。真正的问题是如何提高效率并降低成本。”
该研究集中于将二氧化碳电化学转化为乙烯，这是一种广泛用于生产许多塑料和燃料的化学品，通常今天是从石油中提取的。然而，研究人员表示，他们设计的技术也可以改编用于制造其他有价值的化学产品，如甲烷、甲醇和一氧化碳。
目前乙烯的市场价格约为每吨1000美元，因此目标是将该成本与现有水平持平或降低。将二氧化碳转化为乙烯的电化学过程涉及催化剂和与电流相互作用的水基溶液，在一种称为气体扩散电极的设备中进行反应。
气体扩散电极材料具有影响其性能的两个相互矛盾的要求：它们必须良好导电，以减少通过电阻加热造成的能量损失，同时还需要具有排水性（“疏水性”），以防止电解质溶液饱和电极表面并减少发生在其上的反应。
然而，提高一项属性通常会妥协另一项。瓦拉纳西和他的同事探索了解决这一权衡的方法，并经过广泛的实验，他们成功了。
鲁费尔和瓦拉纳西设计的解决方案既聪明又简单。他们利用了一种称为PTFE（聚四氟乙烯，特氟龙）的塑料材料，该材料以其出色的疏水特性而闻名。然而，PTFE的较差电导率要求电子通过非常薄的催化剂层行进，导致在距离上显著降低电压。为了克服这一挑战，研究人员在薄PTFE片中嵌入了导电铜线。
瓦拉纳西评论道：“这项工作有效地解决了这一问题，使我们能够同时实现导电性和疏水性。”
通常，碳转化系统的研究是在小型实验室样品上进行的，通常测量不到1英寸（2.5厘米）见方。为了展示放大的可行性，瓦拉纳西的团队创建了一个大十倍的薄片并展示了其有效性能。
为了达到这一里程碑，他们不得不进行一些基础测试，这似乎之前从未进行过，使用不同大小的电极在相同条件下检查导电性与电极大小之间的相关性。他们发现导电性随着尺寸的增大而急剧下降，这意味着需要显著更多的能量和成本来促进反应。
鲁费尔解释道：“这正是我们所预期的，但这是之前未被深入研究的主题。”此外，较大的电极还会产生更多的不希望化学副产品，而不只是所需的乙烯。
对于实际工业应用，电极可能需要大约100倍于实验室模型的大小，这表明导电线的添加对于创建可行的系统至关重要，研究人员表示。他们还设计了一个模型，考虑了由于欧姆损失而导致电极上电压和产品分布的空间变化。将这一模型与实验数据相结合，使他们能够确定导电线的理想间距，以减轻导电性降低的问题。
通过将导线纳入结构，它本质上将材料划分为基于导线安排的较小子部分。“我们将其划分为几个微小的子部分，每个部分都像一个微型电极，”鲁费尔说。“正如我们所注意到的，较小的电极可以表现得异常良好。”
由于铜线提供的导电性远高于PTFE，因此它为电子提供了高效的通道，连接了遇到更多电阻的区域。
为了验证其系统的耐久性，研究人员连续操作测试电极75小时，性能变化很小。整体上，鲁费尔评论道，他们的设计代表了第一个有效扩展超出约5厘米或更小实验室尺寸的基于PTFE的电极。这是第一项在保持效率的同时转向显著更大规模的研究。
他补充道，导线集成的过程可以轻松适应现有制造技术，甚至在大规模滚筒对滚筒的加工中。
鲁费尔指出：“我们的技术非常强大，因为它不依赖于所用催化剂的类型。” “您可以将这种微米级铜线纳入任何气体扩散电极，而无论催化剂的形态或化学性质如何。因此，这种方法适用于扩大任何电极。”
瓦拉纳西强调：“考虑到每年需要管理数十亿吨二氧化碳以应对二氧化碳危机，我们必须优先考虑能够有效扩展的解决方案。” “以这种心态接近问题有助于明确关键问题，并鼓励创新策略，这些策略可以为解决这些挑战做出重大贡献。我们的分层导电电极就是这种战略思维的典范。”
研究团队包括麻省理工学院的研究生迈克尔·尼茨切和桑杰·加里梅拉，以及杰克·莱克，博士’23。该项目获得了壳牌通过麻省理工学院能源计划的支持。
